Samenvatting, bespreking en toekomstig onderzoek

Samenvatting, bespreking en toekomstig onderzoek Samenvatting Het doel van ons onderzoek was de optimale formulering van luchtwegverwijdende aerosolen en in hoeverre doseringen en nevenwerkingen gereduceerd konden worden. In die vraagstelling speelt de depositie en de grootte van de geïnhaleerde deeltjes een cruciale rol. In hoofdstuk 2 van dit proefschrift worden de meest relevante depositiemechanismen, zijnde impactie, sedimentatie en Brownse beweging geïntroduceerd en nader uitgewerkt. Deze mechanismen, welke alle een eigen karakter bezitten, zijn gerelateerd aan de grootte van het geïnhaleerde deeltje. Zo is impactie gebaseerd op de inertie van grote deeltjes. Deze deeltjes zijn simpelweg te zwaar of bezitten een te hoge snelheid om de bochten van de bronchiaalboom te kunnen volgen. Zij verlaten de luchtstroom en botsen tegen het slijmvlies. Sedimentatie is daarentegen een tijdsafhankelijk proces. T.g.v. de zwaartekracht vallen deeltjes naar beneden en de snelheid, die zij daarbij bereiken, is afhankelijk van de afmetingen: des te kleiner het deeltje is, des te lager die terminale valsnelheid. Zij dringen diep door in de luchtwegen met een geringe neiging om neer te slaan. Wanneer zij te klein zijn, is de tijd nodig voor sedimentatie zo groot dat die uitgaat boven de duur van een in- en uitademingscyclus. Zij worden daarom vrijwel geheel weer uitgeademd. Brownse beweging is alleen van belang bij zeer kleine deeltjes en daarmee niet interessant voor therapeutische aerosolen, omdat de totale massa van deze deeltjes erg laag is. Depositie is een fysisch proces en elk mechanisme kan worden beschreven middels mathematische vergelijkingen, hetgeen het onderzoekers mogelijk maakt om modellen te bouwen. Het meest uitgewerkte model, dat van Findeisen en navolgers, wordt in dit proefschrift verkend. Er bestaat overeenstemming over het algemene karakter van de berekende neerslag. Grote deeltjes impacteren in de extrathoracale of bovenste luchtwegen, terwijl kleinere deeltjes verder in de luchtwegen doordringen. Het aantal neergeslagen deeltjes is wederom gerelateerd aan de grootte: des te kleiner het deeltje, des te lager de neerslagkans. Een minimum wordt geobserveerd bij deeltjes van 0.5 µm. Gegevens m.b.t. de regionale depositie laten zien dat depositiepatronen in de 1

luchtwegen nooit tot een smal gebied gelokaliseerd, maar altijd sterk gespreid zijn. Hierbij geldt dat een brede aërosolgrootte verdeling, gelijk staat met een sterkere verspreiding van de depositie over de luchtwegen. Vernauwing van de luchtwegen leidt altijd tot een toename van de depositie. Hoofdstuk 3 van dit proefschrift behandelt de luchtwegdepositie van de aerosolen in gezonden. Het karakter, bekend uit de modelstudies, wordt door in-vivo experimenten bevestigd. De extrathoracale depositie neemt snel toe wanneer de deeltjesgrootte oploopt. Het grootste gedeelde van 6 µm deeltjes deponeert extrathoracaal, terwijl de kleinere deeltjes vooral in de alveoli neerslaan. De depositie in de bronchi is relatief laag met een maximum van ongeveer 20%. Naast de deeltjesgrootte zijn het inhalatievolume en de inhalatieflow van groot belang. Een toename van het volume doet de depositie stijgen, terwijl het omgekeerde het geval is voor de inhalatieflow. Wanneer men deeltjesgrootte, inhalatieflow en -volume kent, is het mogelijk om de totale depositie te voorspellen. Gelet op het belang van deze factoren, is het noodzakelijk deze parameters in elk experiment nauwkeurig te standaardiseren, om de depositie-variabiliteit te beperken. In astmatici blijkt de deeltjesneerslag te zijn toegenomen, afhankelijk van de mate van bronchusobstructie. De depositiepatronen, zoals gemeten met gammacamera's zijn vlekkerig en verre van uniform. De depositie van therapeutische aerosolen wordt beschouwd in hoofdstuk 4. De neerslagkarakteristieken zijn sterk afhankelijk van het toegepaste type inhaler of vernevelaar. Dosis-aerosolen worden gekenmerkt door een lagere luchtwegdepositie van 10 tot 20% van de nominale dosis. Deze aerosolen blijken polydispers te zijn en het grootste deel van de massa bestaat uit zeer grote deeltjes, welke in de bovenste luchtwegen neerslaan. Voorzetkamers verlagen deze bovenste luchtwegdepositie, hoewel hun effect sterk afhangt van het type kamer. Droge poeder inhalatoren missen een aantal nadelen van de dosis-aerosolen, maar de effectiviteit ervan kan negatief beïnvloed worden door lage inspiratoire krachten, die een patiënt soms op kan brengen. Slechts weinig experimenten hebben de relatie tussen de deeltjesgrootte en het therapeutisch effect onderzocht en helaas zijn de uitkomsten ook nog met elkaar in 2

tegenspraak. Sommige onderzoekers tonen géén verschil aan in effectiviteit voor deeltjes <5 µm. Men concludeert dat de meest belangrijke factor een deeltjesgrootte <5 µm is. Andere onderzoekers laten daarentegen zien dat 2.5 µm aerosolen sterker werkzaam zijn dan 5 µm aerosolen. Vele factoren kunnen worden aangewezen voor dit gebrek aan consensus. Zo gebruikte men diverse soorten vernevelaars, wat leidt tot sterke verschillen in de toegediende doseringen en daarnaast waren de aerosolen sterk polydispers. Beide factoren verlagen het onderscheidend vermogen van het experiment en afhankelijk van de ernst van deze factoren rapporteerde men wel of geen relatie tussen deeltjesgrootte en effectiviteit. De resultaten van onze experimenten zijn opgenomen in hoofdstuk 6 t/m 10. In het eerste experiment hebben 8 stabiele astmatici met een gemiddelde FEV1 van 72% van de voorspelde waarde 3 monodisperse salbutamol-aerosolen geïnhaleerd (hoofdstuk 6). De deeltjesgrootten waren respectievelijk 1.5, 2.8 en 5 µm. Daarnaast werd een placebo geïnhaleerd. De vrijwilligers inhaleerden een cumulatieve reeks van 5, 10, 20 en 40 µg salbutamol, waarna de toename van de longfunctie werd gemeten. De dosisrespons curven zijn geanalyseerd d.m.v. repeated measurements anova. In geval van de FEV1 en de MEF75/50/25 liet het 2.8 µm aërosol een sterkere luchtwegverwijding zien dan het 5 µm aërosol, terwijl bij de piekstroom het 1.5 µm aërosol significant zwakker was dan het 2.8 µm aërosol. In geval van de VC, de FVC en de ademweerstand was er geen verschil in de luchtwegverwijding merkbaar t.g.v. van de verschillende aerosol-typen. De conclusie van dit experiment was dat in deze milde astmatici de optimale deeltjesgrootte voor ß2-mimetica aerosolen 2.8 µm is. In het tweede experiment inhaleerden astmatici met een FEV1 >70% van de voorspelde waarde, monodisperse ipratropium bromide aerosolen met dezelfde deeltjesgrootte als hierboven vermeld (hoofdstuk 7). De vrijwilligers inhaleerden nu 8 µg ipratropium bromide, waarna op identieke wijze de longfunctietoename werd bepaald en geëvalueerd. Wederom bleek bij de FEV1 en de MEF50/25 het 5 µm aërosol de minst sterke luchtwegverwijding te zien te geven. In geval van de VC, FVC, ademweerstand en de piekstroom was geen deeltjesgrootte effect merkbaar. Ook voor parasympatholytische aerosolen is de optimale deeltjesgrootte 2.8 µm. 3

Logischerwijze werd het volgende experiment uitgevoerd in patiënten met een sterkere bronchusobstructie (hoofdstuk 8). Zeven stabiele patiënten met een gemiddelde FEV1 van 37.9% van de voorspelde waarde hebben monodisperse salbutamol en ipratropium bromide aerosolen geïnhaleerd met deeltjesgrootte variërend van 1.5 tot 5 µm en wederom een placebo aerosol. De vrijwilligers inhaleerden respectievelijk 20 µg salbutamol en 8 µg ipratropium bromide, waarna de longfunctietoename werd bepaald en geëvalueerd op de gebruikelijke manier. Het 2.8 µm aerosol leidde tot een sterkere toename van de FEV1, de specifieke luchtwegconductantie en de MEF75/50 dan bij de andere deeltjesgrootten het geval was. In patiënten met een sterke luchtwegobstructie blijkt de optimale deeltjesgrootte voor zowel een ß2 mimeticum als een parasympatholytisch aërosol 2.8 µm te zijn. Om te bezien of de luchtwegverwijdende effecten van deze laag gedoseerde monodisperse aerosolen verschillen van de standaarddoseringen, zoals toegediend via een dosis-aërosol, hebben wij een vergelijkende studie uitgevoerd (hoofdstuk 9). Tien stabiele patiënten met een gemiddelde FEV1 van 58.1% van de voorspelde waarde hebben een placebo aërosol, 8 µg ipratropium bromide als 2.8 µm monodispers aërosol en 40 µg via een dosis-aërosol met voorzetkamer geïnhaleerd. Daarna is de longfunctietoename bepaald en geanalyseerd middels repeated measurement anova. Significante verbeteringen t.o.v. placebo werden waargenomen voor de FVC, de FEV1, de specifieke luchtwegconductantie, de piekstroom en de MEF75. In al deze gevallen was het laag gedoseerde 2.8 µm aerosol therapeutisch equivalent aan de hoger gedoseerde dosis-aerosol. Het blijkt dus dat, wanneer men het polydisperse karakter van geïnhaleerde aerosolen wijzigt naar een monodispers patroon, de dosering van inhalatie-middelen kan worden gereduceerd met minstens 80% zonder effectiviteitsverlies. Daarop hebben wij de bijwerkingen van 160 µg fenoterol als 2.8 µm monodispers aerosol vergeleken met die van 800 µg fenoterol afkomstig uit een conventioneel dosis-aërosol met voorzetkamer (hoofdstuk 10). Gezonde vrijwilligers, 8 vrouwen en 4 mannen, hebben deelgenomen aan deze proef en hebben in willekeurige volgorde placebo, het monodisperse en het dosis-aerosol preparaat geïnhaleerd. De wijzigingen in het plasmakaliumgehalte, vingertremor, bloeddruk, hartslag en specifieke 4

luchtwegconductantie zijn gemeten voor en 15 minuten na de toediening van de aerosolen. De beide actieve aerosolen lieten een significante toename zien van de luchtwegconductantie en de bijwerkingen. Het serumkaliumgehalte nam na het monodisperse aërosol af met 0.27 mmol/l, terwijl het dosis-aërosol een verlaging liet zien van 0.67 mmol/l (p = 0.001). De vingertremor nam significant minder toe na toediening van het monodisperse aërosol in vergelijking met het dosisaerosol. Wijziging in de cardiovasculaire parameters waren niet significant t.o.v. placebo. Er waren geen significante verschillen tussen de toename van de specifieke luchtwegconductantie tussen de twee actieve preparaten. De conclusie is daarom dat een wijziging van de formulering van dosis-aërosolen het mogelijk maakt bijwerkingen te reduceren. Bespreking De eerste hoofdconclusie van deze experimenten is dat bij patiënten met zowel milde als sterkere luchtwegvernauwingen de optimale deeltjesgrootte voor ß2-mimetische en parasympatholytische aerosolen 2.8 µm is. De tweede conclusie is dat toediening van deze optimaal geformuleerde aerosolen een forse reductie van de dosering en het aantal bijwerkingen mogelijk maakt. De eerste conclusie kan worden verklaard door het bestaan van een bovenste luchtwegfilter. De extrathoracale en bovenste luchtwegen functioneren als een effectief filter voor grote deeltjes, waardoor de lagere luchtwegen beschermd worden tegen een hogere belasting door stof of andere potentieel schadelijke stoffen. Toediening van grote deeltjes is inefficiënt, omdat deze verloren gaan in dat bovenste luchtwegfilter en lage doseringen in de lagere luchtwegen tot gevolg hebben. Dit laatste staat gelijk aan een gering therapeutisch effect. Dit geldt zowel voor ß2- mimetica als parasympatholytica en geeft de verklaring voor de lagere effectiviteit van de 5 µm aerosolen. De berekening van de regionale depositie door Gerrity en medewerkers zijn in dit geval van belang. Voor 5 µm aerosolen laten zij een voornamelijk bovenste luchtweg depositie zien, terwijl deze in de lagere luchtwegen veel lager is in vergelijking met 2 of 3 µm aerosolen. De experimentele gegevens van Svartengren m.b.t. de afsnijpunten van de oropharynx onderstrepen het belang van dit bovenste luchtwegfilter. Daarnaast dient men te realiseren dat zowel ß2-mimetische als parasympatholytische aerosolen in een zekere mate hygroscopisch zijn. Door 5

vochtopname zal de grootte toenemen en daarmee de depositie in de bovenste luchtwegen. Deeltjes van 5 µm nemen door hygroscopie veel sterker in grootte toe dan 2.8 µm deeltjes, hetgeen de bovenste luchtwegdepositie alleen maar bevordert. Na deze verklaring voor de lage effectiviteit van 5 µm aerosolen dienen de verschillen tussen de 2.8 en 1.5 µm aerosolen nader verklaard te worden. Wij verwachtten dat voor ß2-mimetische en parasympatholytische aerosolen, door verschillen in receptorverdeling, de optimale deeltjesgrootte zou verschillen. Voor parasympatholytische aerosolen leek een centraal georiënteerd depositiepatroon logisch en de resultaten van onze experimenten bevestigen dit, omdat 2.5 µm aerosolen sterker werkzaam zijn dan 1.5 µm aerosolen. Wellicht zou het depositiepatroon van 5 µm aerosolen nog beter zijn in die zin, dat er een betere overeenstemming bestaat met de verdeling van de receptoren. Echter de lage penetratie en daarmee dosering is kennelijk van groter gewicht dan een betere overeenstemming met de receptorverdeling. Met andere woorden een optimale afstemming tussen depositiepatroon en receptorverdeling is van gering belang wanneer de gedeponeerde massa geneesmiddel erg laag is. Een minder goed passend patroon met hogere massa's valt te prefereren. Voor ß2-mimetica zou men kunnen verwachten dat 1.5 µm aerosolen een betere keuze zouden zijn geweest, gelet op de betere overeenstemming van het depositiepatroon met receptorverdeling. Dit bleek niet het geval te zijn en een aantal verklaringen zijn hiervoor mogelijk. Ten eerste worden kleinere deeltjes altijd sterker uitgeademd dan grotere deeltjes, ook bij astmatici. De experimenten door Schiller- Scotland laten dit duidelijk zien. Haar gegevens toonden een tweemaal zo hoge depositie van 3 µm deeltjes in vergelijking tot 1 µm deeltjes. 2.8 µm aerosolen leveren altijd hogere lage luchtweg doseringen op en zijn daarmee sterker werkzaam. Dosering lijkt van groter belang te zijn dan het depositiepatroon. De gegevens van Gerrity tonen aan dat de depositiepatronen van 1, 2 en 3 µm deeltjes in de lagere luchtwegen niet zo sterk verschillen. De verspreiding van de deeltjes over de luchtwegen is min of meer vergelijkbaar, maar de massa van 3 µm deeltjes is veel hoger. Wanneer depositiepatronen vergelijkbaar zijn, is de hoeveelheid massa die deponeert van veel groter belang. 6

De resultaten in sterk obstructieve patiënten kunnen worden verklaard door dezelfde mechanismen. 5 µm deeltjes zullen de lagere luchtwegen niet bereiken. De effectiviteit van het bovenste luchtwegfilter zal niet veel verschillen van die in minder obstructieve astmatici of gezonde personen. Sterker nog, zelfs de geringste vernauwing in deze regio zal het afsnijpunt van het filter verlagen, hetgeen betekent dat grote deeltjes in nog mindere mate de lagere luchtwegen zullen bereiken. Men had kunnen verwachten dat de 1.5 µm deeltjes in versterkte mate in de vernauwde luchtwegen zouden doordringen en tot een groter effect zouden induceren, maar dit bleek niet het geval te zijn. De depositie van 1.5 µm aerosolen zal altijd lager zijn dan die van 2.8 µm aerosolen en blijkbaar bereiken de 2.8 µm aerosolen in voldoende mate de ß2- receptor. De hogere neerslag van de 2.8 µm aerosolen is dan belangrijker. In alle bovenstaande verklaringen speelt de chemische samenstelling van het geneesmiddel nauwelijks een rol. Depositie van geïnhaleerde deeltjes is een fysisch proces, welke niet verbonden is met de chemische structuur. De aërodynamische deeltjesgrootte wordt niet beïnvloed door de chemische structuur, met een uitzondering voor de hygroscopiciteit en de dichtheid van het deeltje. De dichtheid speelt een ondergeschikte rol, omdat een toename van de dichtheid met een factor 8 de aërodynamische diameter slechts met een factor 2 doet toenemen. Dientengevolge zal de bovenstaande relatie tussen deeltjesgrootte en effectiviteit waarschijnlijk voor alle typen geneesmiddelen gelden, waarbij mogelijkerwijze een uitzondering gemaakt moet worden voor receptorverdelingen die gelokaliseerd zijn in de bovenste luchtwegen of in de alveoli. Dosis-aerosolen en droge poeder inhalatoren genereren beide sterk polydisperse aerosolen, waarbij er in de aërosolwolk veel grote deeltjes aanwezig zijn. Het is daarom niet vreemd dat de lage luchtwegdepositie zo laag is en dat de dosering zo sterk kan worden gereduceerd. Het overgrote deel van de afgegeven massa is simpelweg te groot om effectief te zijn. Die massa deponeert in de bovenste luchtwegen en wordt daar of geabsorbeerd dan wel doorgeslikt en in het maag/darmkanaal geabsorbeerd. Het gevolg van deze absorptie zijn systemische bijwerkingen. Eliminatie van deze grote deeltjes reduceert de systemische belasting en daarmee 7

bijwerkingen, hetgeen een redelijke verklaring is voor onze resultaten. Echter, elk geneesmiddel, dat deponeert in de lage luchtwegen zal ook geabsorbeerd worden en daarmee zijn enige systemische bijwerkingen onvermijdelijk. De ernst en de frequentie van deze bijwerkingen zullen lager zijn, dan bij onze optimaal geformuleerde aerosolen. De enige mogelijkheid om deze systemische bijwerkingen verder te elimineren is een snelle deactivatie van het geabsorbeerde geneesmiddel. Deze deactivatie moet echter geschieden voordat het geneesmiddel de receptor bezet, hetgeen kan resulteren in een eis van een zeer snelle deactivatie. Toekomstig onderzoek Als de chemische structuur van de geneesmiddelen een weinig belangrijke rol voor wat betreft de depositiepatronen speelt, zal voor corticosteroïden een optimale deeltjesgrootte gelden, gelijksoortig aan luchtwegverwijders. Een sterke reductie van de steroïdbijwerkingen ligt dan ook binnen de mogelijkheden. Er is echter één parameter die verschilt van luchtwegverwijders. Luchtwegverwijders zijn alle wateroplosbaar en daardoor hygroscopisch, terwijl steroïden hydrofoob zijn, waardoor deeltjesgroei ten gevolge van wateropname minimaal of zelfs afwezig is. Het is daarom mogelijk dat de relatie tussen deeltjesgrootte en effectiviteit minder uitgesproken is bij steroïden. Dit vereist nader onderzoek. Het zal duidelijk zijn dat het genereren van monodisperse aerosolen een vooruitgang betekent in termen van therapeutische kwaliteit. Op dit moment zijn er diverse mogelijkheden beschikbaar om een draagbare monodisperse aërosol generator te vervaardigen. Enkele experimenten met de koppen van inkjet printers tonen aan dat deze koppen in staat zijn monodisperse aerosolen te genereren, alhoewel het bleek dat de druppels op dit moment nog te groot zijn voor inhalatie. Een wijziging in het ontwerp van deze koppen moet het mogelijk maken kleinere druppels te genereren. Aerosolen gebaseerd op het zogenaamde "Tayler cone" principe zijn een andere mogelijkheid. Wanneer een slecht geleidende vloeistof door een stalen naald wordt gepompt en deze naald verbonden is met een 10 kv bron, zal de vloeistof niet van de punt van de naald afdruppelen maar een conus vormen. De hoge elektrische ladingen dragen er nu zorg voor dat even grote druppeltjes de top van deze conus verlaten. De grootte van deze druppeltjes wordt bepaald door een gering aantal parameters, welke 8

alle eenvoudig gecontroleerd kunnen worden. Het hoge 10 kv voltage kan worden opgebracht door simpele batterijen, omdat de stroom die verbruikt wordt erg laag is. In de nabije toekomst moet het mogelijk zijn de technische problemen op te lossen en te komen tot generatoren, die een beter gedefinieerd aerosol afgeven. De kwaliteit van de anti-astma therapie kan hierdoor verhoogd worden. 9